CN101501952A

CN101501952A - 用于永磁体dc电动机的防过载设备

Info

Publication number: CN101501952A
Application number: CNA2007800279319A
Authority: CN
Inventors: 拉里·普伦科特; 格雷格·科拉奇斯基
Original assignee: Danaher Motion LLC
Current assignee: Thomson Linear LLC
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2009-08-05
Also published as: RU2442257C2; MX2009000794A; US20080024940A1; JP2009545946A; WO2008016744A3; EP2050174A4; BRPI0714699A2; EP2050174A2; UA94761C2; RU2009107021A; US7622876B2; WO2008016744A2; CA2657624A1

Abstract

一种方法、设备或计算机程序实现了一种防过载手段，包括：监控电动机的速度；根据所监控的速度来检测电动机的过载情况；以及根据所检测的过载情况来控制电动机的操作。

Description

用于永磁体DC电动机的防过载设备

本国际公开基于并且要求在2006年7月31日提交的序列号为11/461,170标题为“Overloade Prevention Device for Permanent MagnetDC Motors，”的美国专利申请的优先权，其全部内容在此一并作为参考。

技术领域

本发明涉及一种防止电动机上的过载情况的方法、系统以及设备，具体防止如在线性致动器或旋转致动器(rotary actuator)中使用的永磁体DC电动机上的过载情况。

背景技术

传统地，在采用电动机的情况下，以某种方式监控电流以防止过载。这是可以采用通常称作热保护器的热激活开关来实现的。该设备需要过载情况持续某一段时间以将热元件加热，依据过载的严重性从几秒至几分钟。然后，在操作可以恢复之前，该设备需要一段时间以在消除故障之后进行冷却。第二种方法使用与电动机串联的电阻元件。该电阻器两端的电压与电流成比例，并且可以将电路设计为在电流超过确定值时将电动机的电力切断。该方法的缺点是，在该电阻元件中消耗功率，这降低了总体系统效率。

发明内容

根据一个实施例，一种方法、设备或计算机程序实现了一种防过载的手段，包括：监控电动机的速度；根据所监控的速度来检测电动机的过载情况；以及根据所检测的过载情况来控制电动机的操作。

附图说明

图1示出了根据实施例的示例性防过载设备的概图；

图2示出了根据另一实施例的示例性防过载设备的概图；

图3示出了根据实施例的、图2的防过载设备的示例性电路布局的电路图；

图4示出了根据实施例的示例过程的流程图，通过该过程防止电动机的过载；

图5示出了根据实施例的示例过程的流程图，通过该过程防止电动机的过载；

图6示出了根据实施例的示例过程的流程图，通过该过程防止电动机的过载；以及

图7至9示出了用于示例方法和过程的源代码，所述示例方法和过程防止电动机操作中的过载情况。

具体实施方式

根据不同方面，提供了一种设备、系统、方法、计算机产品、计算机程序等，以防止电动机(例如，在线性或旋转致动器中使用的永磁体DC电动机)的过载情况。永磁体DC电动机的基本参数是线性相关的，即，负荷扭矩的增大将导致电动机速度的成比例减小以及电动机输入电流的成比例增大。可以测量三个特性中的任何特性，以预测另外两个特性的状态。因为永磁体DC电动机中的电动机速度与电动机电流成反比，所以速度是电流的精确预测因子(predictor)。因此，可以将电动机的速度(例如，电动机RPM等)用作负荷的指示符以取代将电流用作指示符。因此，根据电动机的速度及其监控，可以检测到电动机过载情况，并采取防护措施。

根据示例实施例，过载防护方法可以包括：监控电动机的速度，根据所监控的速度来检测电动机的过载情况，以及根据所检测的过载情况来控制电动机的操作。例如，在速度阈值处或速度阈值以下(例如，特定的速度等)，将电动机的电力切断。该阈值可以是预定义(或预先确定)的，也可以根据电动机的电流操作情况(或环境)，如环境温度、输入电压、电流等，来动态地调整、改变或确定。因此，例如，阈值可以是操作特性或环境的函数(例如，阈值＝最小速度(输入电压，温度))。可以根据需要在接通电动机时或接通电动机之前，或在电动机的操作期间，将阈值确定下来(ascertain)，而却可以从表格计算或选择阈值，或者这些的组合。以下更详细地讨论了不同的示例性防过载实施例。

使用速度来防过载尤其提供了多种益处和/或优点。例如，与传统方法相比，可以通过不导致效率降低的装置来监控电动机的速度。示例性非接触配置可以导致与电动机的轴上的多极磁体相结合使用电磁传感器(如霍尔效应(Hall Effect)器件)、使用光学传感器以及光技术、等等。例如，这可以消除以上讨论的效率的降低。一旦消除或解决了故障或情况，则电动机的操作及其速度可以返回至正常，使得如与热保护器相关联的复位延迟不出现或减小。还可以连续监控电动机的速度，这样可以极大地降低对故障情况作出响应的时间。

此外，以示例的方式，可以采用这里所述的防过载配置或实施例尤其来处理以下问题：(1)机械过载(例如，中间冲程失速(mid strokestall)或过载)，(2)电过载(例如，超过额定的占空比)，(3)冲程终了(end of stroke)关闭(例如，在致动器内部或被致动的设备的外部)，等等。

图1示出了根据实施例的、用于电动机110的示例性防过载设备或系统(下文中的“设备”)100的方框概图。如所示的，防过载设备100包括：传感器120，用于监控电动机100的速度；检测器130，用于根据所监控的速度来检测电动机110的过载情况；控制器140，用于控制电动机110的操作；以及继电器150(例如，开关、驱动电路，等等)，通过继电器150可以对电动机操作加以控制(例如，暂停、恢复、通电//断电、制动，等等)。

速度传感器120可以是这种类型的速度传感器：该类型的速度传感器不需要也不采用物理接触作为对电动机速度的感测或监控操作的一部分。例如，速度传感器120可以是转速计，并且可以采用电磁感测配置、光学感测配置等，以监控电动机110的速度。电磁感测配置的一个示例可以是霍尔效应器件，将所述霍尔效应器件放置或布置为：例如对设置在电动机110的轴上的多极磁体进行感测。在以下将进一步详细描述的这个示例中，随着电动机的操作以及其上的电动机轴和磁体的旋转，霍尔效应器件(或其开关)输出脉冲，其中脉冲宽度反映电动机的速度。可以使用其他的速度测量形式(如频率)来取代脉冲宽度。可以根据一段时间上的脉冲宽度来确定频率，以反映电动机的速度。如这里所述的，这仅仅是速度感测配置或传感器的一个示例，可以采用其他配置或传感器来实现防过载特征。

另一种类型的速度感测配置可以包括对光学传感器和光的使用。例如，速度传感器120可以包括光学检测器或光学编码器等，以感测表示电动机速度的光以及输出反映该速度的信号或信息。光学检测器可以：(1)在电动机工作时，感测从电动机上的部件反射的光；或(2)在电动机工作时，感测通过相对于电动机设置的缝隙或孔投射的光。在第一示例中，可以使用反射编码器，其中LED或其他光源在电动机或电动机上的部件处(例如，类似地在轴上)发光，所发出的光被反射回诸如光电二极管或光电晶体管之类的光电检测器，以获得电动机的速度特性。在另一示例中，LED或其他光源在缝隙或孔(例如，在电动机或其部件上设置的或相对于电动机或其部件设置的)处发光，并由诸如光电二极管或光电晶体管的光电检测器来检测所发出的光，以获得电动机的速度特性。

作为另外的示例，速度传感器120可以包括与磁体相结合对Reed开关的使用，以在电动机的操作期间检测电动机的速度。在较低速的电动机配置下，可以使用Reed开关示例。以下是不同速度感测配置的简单示例，可以使用其他速度感测配置来实现这里所述的防过载特征。

如以上所述的，还可以通过执行计算机可读代码(例如，程序、软件或固件，等等)的一个或更多个处理器，硬接线、集成或逻辑电路，或其组合，来实现防过载设备100的不同部件和过程。可以将计算机可读码存储在实际的存储介质中，读取和执行所述计算机可读码以实现这里所述的防过载特征。

图2示出了根据另一实施例的、用于电动机(或电动机组件)210的示例性防过载设备200的方框概图。如所示出，防过载设备110可以包括：霍尔效应传感器220(例如，霍尔效应开关)；控制器230，用于实现如这里所述的不同的防过载功能和特征；以及继电器250，用于对电动机210进行动态制动。在该示例中，将设备200的这些部件设置在印刷电路板202上。

放置霍尔效应传感器220，以读取来自多极磁体222的磁场，其中将所述多极磁体222设置或连接在电动机210的轴上，以便以电动机的速度旋转。磁体222可以是固定到电动机210的轴的12极或6极对磁体(pair magnet)布置。在操作中，每当南极通过传感器220的霍尔效应开关的对面时，磁体222便激励霍尔效应开关。得到的脉冲宽度或由传感器220输出的脉冲宽度反映了电动机210的速度(例如，RPM)。

控制器230可以包括微处理器或微控制器，所述微处理器或微控制器获得所监控的速度，根据所监控的速度来检测电动机的过载情况，以及根据所检测的过载情况来控制电动机的操作。例如，在等于或超过阈值(例如，预定速度值等)的情况下，例如凭借继电器250或其他继电器或电动机驱动电路或部件，将电动机的电力切断。

在图2中还示出了手动超控(manual over-ride)特征或配置260，所述手动超控特征或配置260用于例如在过载或故障或击穿或掉电等情况下，手动地旋转或操作或移动与其连接的轴或部件。

尽管图2描述了采用具体部件以及这些部件的配置的一个示例，然而可以使用这些和/或其他部件和设置，以根据电动机的速度监控过载情况。例如，如以上所述，可以使用除了霍尔器件开关以外的传感器，如光学传感器等。例如，可以根据电动机应用以及电动机的操作情况来选择传感器的类型。

图3示出了根据实施例的、图2的示例性防过载设备200的示例性电路布局的电路图。如所示出，防过载设备200包括：端子W1至W4、电容器C1至C4和C5、电阻器R1至R5、二极管D1、D2和D4、全波电桥(full-wave bridge)(或整流器)D3、继电器RLY1、稳压器U1、微处理器U2、温度传感器U3、晶体管Q1以及霍尔效应器件或开关HE1。

端子W1和W2为应用提供电力。端子W1对于电动机旋转的一个方向是正极，对于相反方向是负极。将该电压施加到全波电桥D3的输入以及施加到单刀双掷继电器RLY1的触点。全波电桥D3将适当极性的电压提供至设备200的控制电路，不管输入极性如何。

电阻器R2和R3形成分压器。可以选择电阻器的值以在电阻器R3两端提供期望的电压，例如5V或更小的电压。齐纳二极管(zener diode)D2用于确保电压不超过微处理器U2的输入电压。电阻器R3两端的电压与施加到致动器的输入电压成比例，并且用于监控输入电压。如以下将更详细地描述的，可以获得或读取输入电压，以改变或调整或确定用于检测过载情况的速度阈值(或极限值)。

电容器C1和C2用于稳定向稳压器U1的输入提供的电压。

二极管D1防止在将继电器线圈RLY1断开时由继电器线圈RLY1的电感引起的过大电压。晶体管Q1根据通过电阻器R4施加到晶体管的基极的信号，将继电器线圈RLY1接通和断开。

利用电容器C3和C4对稳压器U1的输出进行滤波。这为微处理器U2和霍尔效应开关HE1提供了稳定的电压供给。每当磁体的极通过霍尔效应开关HE1时，霍尔效应开关HE1提供输出脉冲。脉冲宽度与电动机的转速成比例。

电阻器R5对流向发光二极管(LED)D4的电流加以限制。当微处理器的控制电路关闭电动机时，即在过载情况下，二极管D4被点亮。

温度传感器U3用于监控环境温度(例如，环境温度值)。因为致动器可以在宽泛变化的温度情况下进行操作，所以防过载实现可以关注环境温度。如以下将更详细地描述的，可以获得或读取环境温度以改变或调整或确定用于检测过载情况的速度阈值(或极限值)。

现在将在下文中参考图7-9的源程序表来讨论由微处理器U2控制的示例性功能和特征，图7-9的源程序表描述了通过一个或更多个处理器可实现的、用于提供防过载的示例性过程或程序。

例如，当第一次为微处理器U2供电时，使输出GP5为高。这接通了晶体管Q1，晶体管Q1激励继电器线圈RLY1。继电器RLY1的触点闭合，从而为例如端子W3和W4(可以与电动机连接)上的致动器的电动机供电，电容器C6连接在所述致动器的电动机两端以抑制噪声。这维持预定的时间，如0.5秒。可以选择这个预定的时间，使得例如电动机可以达到速度，以及在由于电动机启动电流导致输入电压下降的情况下使输入电压可以回弹。

这样，由微处理器U2中的模拟至数字(A/D)转换器读取输入电压。将模拟至数字(A/D)转换器的输出值在数学上转换成所允许的最小脉冲宽度。

对来自霍尔效应器件的每个输出脉冲的宽度进行测量。如果脉冲不改变，则可以假设电动机没有旋转并且电动机的电力被断开。将脉冲宽度与速度阈值相比较，其中可以利用基本RPM值来建立所述速度阈值，还可以在需要时针对输入电压和环境温度来修正或补偿所述脉冲宽度。如果脉冲宽度小于阈值(例如，电动机速度大于或等于阈值速度)，则电动机操作继续进行。如果脉冲宽度大于阈值(例如，电动机速度小于阈值速度)，则微处理器U2对接下来的12个脉冲的宽度求平均。如果平均脉冲宽度大于阈值(例如，平均电动机速度小于阈值速度)，则将电动机关闭。电动机的操作继续进行，直到去除电力或电动机速度下降到最小值以下为止。通过断开晶体管Q1以控制继电器RLY1打开触点从而去除电动机的电力，可以关闭电动机。

图4示出了根据实施例的示例过程400的流程图，通过示例过程400可以防止电动机过载。可以利用防过载设备，如设备100或200或其部件，来实现该过程。

在步骤410，过程400监控电动机的速度。在步骤420，防过载设备根据所监控的速度来检测是否存在(或不存在)过载情况。这可以包括：例如，将所监控的速度与所监控的速度的平均值(在一段时间上或在多个测量上)与阈值(或极限值)相比较。例如，如果所监控的速度小于速度阈值，则过载情况存在。阈值以及比较方式(例如，小于、等于、和/或大于)还可以依赖于是否使用脉冲宽度、频率或其他特性来对速度进行监控和比较。此外，可以根据电动机的操作环境，如环境温度、输入电压、电流、或可能影响到电动机操作的其他电动机特性或环境因素、或其组合，来改变、调整或确定阈值。

如果检测到过载情况，则防过载设备相应地控制电动机的操作，如将电动机关闭、断电、暂停，等等。一旦解决或纠正了过载情况，则可以将电动机打开或加电，或可以恢复电动机操作以及防过载特征。此外，过程400进行至步骤410，以继续监控速度。

图5示出了根据实施例的示例过程500的流程图，通过示例过程500可以防止电动机过载。可以利用防过载设备，如设备100或200或其部件，来实现该过程。

在步骤510，过程500监控电动机的速度。此后，防过载设备根据所监控的速度来检测是否存在(或不存在)过载情况。例如，在步骤520，防过载设备将所监控的速度与第一速度阈值相比较。如果所监控的速度不小于或等于第一速度阈值，则过程500回到步骤510。否则，如果所监控的速度小于或等于第一速度阈值，则此后在步骤530防过载设备针对预定的时间段或预定数目的测量来监控电动机速度。防过载设备存储所监控的速度(包括或不包括步骤510中的初始速度测量)，并计算在一段时间上或多个测量上的平均速度。在步骤540，防过载设备确定平均速度是否小于或等于第二速度阈值。第一和第二速度阈值可以相同或不同。如果平均速度不小于或等于第二速度阈值，则过程500进行至步骤510。

否则，如果平均速度小于或等于第二速度阈值，则防过载设备检测到过载情况，并在步骤550相应地控制电动机的关闭。一旦解决或纠正了过载情况，则可以将电动机打开或加电，或可以恢复电动机操作以及防过载特征。

第一和第二阈值以及比较方式(例如，小于、等于、和/或大于)可以依赖于是否使用脉冲宽度、频率或其他特性来对速度进行监控和比较。此外，可以根据电动机的操作环境如，环境温度、输入电压、电流、或可能对电动机的操作造成影响的其他电动机特性或环境因素，或其组合，来改变、调整或确定阈值。

图6示出了根据实施例的示例过程600的流程图，通过示例过程600可以防止电动机过载。可以利用防过载设备，如设备100或200或其部件，来实现该过程。

过程600在步骤610读取输入电压，并在步骤612读取温度。在步骤614，根据操作情况(如，输入电压和/或温度)来确定或调整速度阈值。可以从查找表等计算或得到速度阈值，或计算并且得到速度阈值。

在步骤616，对电动机的速度进行监控。在步骤618，防过载设备根据速度来确定电动机是否打开或正在操作。例如，当使用霍尔效应传感器的脉冲宽度输出来测量电动机的速度时，防过载设备可以在没有改变(例如，没有脉冲)的情况下确定电动机是关闭的或没在操作。如果电动机是关闭的，则过程600终止。否则，如果电动机是打开的，则在步骤620防过载设备将所监控的速度与速度阈值相比较。如果所监控的速度不小于或等于速度阈值，则过程600回到步骤616。否则，如果所监控的速度小于或等于速度阈值，则此后在步骤622防过载设备针对预定的时间段或预定数目的测量来监控电动机速度。防过载设备存储所监控的速度(包括或不包括步骤616中的初始速度测量)，并计算在一段时间上或在多个测量上的平均速度。在步骤624，防过载设备确定平均速度是否小于或等于速度阈值。在该示例中，在步骤620和624中使用相同的速度阈值，然而在需要的情况下也可以使用不同的速度阈值。如果平均速度不小于或等于第二速度阈值，则过程600进行至步骤616。

否则，如果平均速度小于或等于第二速度阈值，则防过载设备检测到了过载情况，并在步骤626相应地控制电动机的关闭。一旦解决或纠正了过载或故障情况，则可以将电动机打开或上电，或可以恢复电动机操作以及防过载特征。

阈值以及比较方式(例如，小于、等于、和/或大于)可以依赖于是否使用脉冲宽度、频率、或其他特性来对速度进行监控和比较。此外，可以根据电动机的操作环境，如环境温度、输入电压、电流、或可能对电动机的操作造成影响的其他电动机特性或环境因素、或其组合，来改变、调整、或确定阈值。

尽管图4至6描述了防止电动机过载的示例过程，然而防过载特征不限于这些示例中描述的具体步骤、步骤的顺序或实现。可以根据需要来选择如图4至6所描述的不同方面，在这里这些方面尤其包括速度测量的具体类型、阈值、与阈值比较的次数，等等。不同过程是可以通过执行计算机可读代码(例如，程序、软件或固件，等等)的一个或更多个处理器，硬接线、集成或逻辑电路，或其组合来实现的。

尽管以上描述了本发明的不同实施例，然而将理解，这些实施例是仅以示例的方式给出的，而并非是限制性的。因此，相关领域技术人员将清楚，在不背离本发明的精神和范围的前提下可以对本发明进行各种形式和细节上的修改。因此，本发明的宽度和范围不应受到上述示例实施例中的任何示例实施例的限制，而仅根据以下权利要求及其等同物来限定本发明的宽度和范围。因此，其他电动机类型也在本发明的范围之内。

Claims

1、一种方法，包括：

监控电动机的速度；

根据所监控的速度来检测电动机的过载情况；以及

根据所检测的过载情况来控制电动机的操作。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测包括：将电动机速度与阈值相比较，以确定是否存在热过载情况。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，当电动机速度比反映最小操作速度的阈值小时，所述检测操作检测到过载情况。

4、根据权利要求2所述的方法，其中，根据电动机的输入电压和/或环境温度而调整阈值。

5、根据权利要求2所述的方法，其中，所述监控操作产生脉冲，所述脉冲具有反映电动机速度的宽度，而且所述比较操作将所产生的脉冲的宽度与阈值相比较。

6、根据权利要求2所述的方法，其中，所述比较操作对预定时间段上或预定数目的测量上的平均电动机速度进行比较，以确定是否存在热过载情况。

7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述监控操作产生脉冲，所述脉冲具有反映电动机速度的宽度，而且所述比较操作对预定时间段上或预定数目的测量上的多个产生的脉冲的平均宽度进行比较，以确定是否存在过载情况。

8、根据权利要求1所述的方法，其中，所述监控操作采用非接触传感器配置来监控电动机速度。

9、根据权利要求8所述的方法，其中，所述非接触传感器配置包括用于感测磁场的霍尔效应器件，所述磁场由与电动机的轴连接的磁体产生。

10、根据权利要求8所述的方法，其中，所述非接触传感器配置包括光学传感器。

11、根据权利要求1所述的方法，其中，在检测到过载情况时，所述控制操作将电动机关闭。

12、一种设备，包括：

传感器，用于监控电动机的速度；

检测器模块，用于根据所监控的速度来检测电动机的过载情况；

控制模块，用于根据所检测的过载情况来控制电动机的操作。

13、根据权利要求12所述的设备，其中，所述检测器模块将电动机速度与阈值相比较，以确定是否存在热过载情况。

14、根据权利要求13所述的设备，其中，当电动机速度比反映最小操作速度的阈值小时，所述检测器模块检测到过载情况。

15、根据权利要求13所述的设备，其中，根据电动机的输入电压和/或环境温度来调整阈值。

16、根据权利要求13所述的设备，其中，所述传感器产生脉冲，所述脉冲具有反映电动机速度的宽度，而且所述检测器模块将所产生的脉冲的宽度与阈值相比较。

17、根据权利要求13所述的设备，其中，所述检测器模块对预定时间段上或预定数目的测量上的平均电动机速度进行比较，以确定是否存在热过载情况。

18、根据权利要求17所述的设备，其中，所述传感器产生脉冲，所述脉冲具有反映电动机速度的宽度，所述检测模块对预定的时间段上或预定数目的测量上的多个所产生的脉冲的平均宽度进行比较，以确定是否存在过载情况。

19、根据权利要求12所述的设备，其中，所述传感器采用非接触传感器配置来监控电动机的速度。

20、根据权利要求19所述的设备，其中，所述非接触传感器配置包括霍尔效应器件，所述霍尔效应器件对与电动机的轴连接的磁体的磁场进行感测。

21、根据权利要求19所述的设备，其中，所述非接触传感器配置包括光学传感器。

22、根据权利要求12所述的设备，其中，在检测到过载情况时，所述控制器模块关闭电动机。

23、根据权利要求22所述的设备，还包括继电器，在检测到过载情况时，所述继电器根据来自所述控制器模块的命令将电动机关闭。

24、根据权利要求12所述的设备，还包括印刷电路板，所述印刷电路板包括所述检测器和控制器模块。

25、一种有形的计算机介质，具有计算机可执行代码，在由处理器执行所述计算机可执行代码时，能够执行以下方法：

监控电动机的速度；

根据所监控的速度来检测电动机的过载情况；以及

根据所检测的过载情况来控制电动机的操作。